瑞驅(qū)科技魏延羽：車載氫燃料電池用高性能電驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究及進(jìn)展
圖為蘇州瑞驅(qū)電動(dòng)科技有限公司前瞻研發(fā)中心主任魏延羽博士作主題演講
8月25日，“2023氫能與燃料電池技術(shù)及應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)”在中國(guó)上海召開，蘇州瑞驅(qū)電動(dòng)科技有限公司的前瞻研發(fā)中心主任魏延羽在會(huì)上做主題演講。
以下是發(fā)言內(nèi)容文字記錄，未經(jīng)嘉賓審閱：
魏延羽：
各位專家、領(lǐng)導(dǎo)下午好，非常榮幸能在這里代表瑞驅(qū)科技跟大家分享一下我們公司在車載氫燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域，電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品上面的一些思考和我們的一些工作成果。
我今天的匯報(bào)大概是四個(gè)部分：
第一個(gè)就是對(duì)氫燃料電池系統(tǒng)里面電驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹；
第二個(gè)引出電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品架構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)；
第三個(gè)是我們公司在電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品上的一些技術(shù)研究；
第四個(gè)對(duì)我們公司做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。
首先是氫燃料電池電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，氫燃料電池里面的零部件非常多，有哪些被我們歸為電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品呢？最核心的是DCDC的變換器，剛才黃總介紹了有空壓機(jī)，我們給它配套做空壓機(jī)的控制器，還有氫氣循環(huán)泵的控制器，包括水泵的控制器。
這幅圖是車載氫燃料電池系統(tǒng)的示意圖，這里面標(biāo)出來了5個(gè)電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品在車?yán)锩嫠鸬淖饔谩?shí)際上氫燃料電池系統(tǒng)，一般把它劃分成四個(gè)子系統(tǒng)，第一個(gè)是空氣子系統(tǒng)（供氧），第二個(gè)是氫氣子系統(tǒng)（供氫），第三個(gè)是水熱管理（冷卻水泵），第四個(gè)是電氣子系統(tǒng)（DCDC變換器），除了四個(gè)子系統(tǒng)之外還有一個(gè)大腦系統(tǒng)控制器（FCU）。
實(shí)際上氫燃料電池的電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的架構(gòu)，我們根據(jù)自己的理解把它分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段就是X+1架構(gòu)，1是指FCU，除了1之外X就包括DCF、ACP、HCP控制器、水泵控制器。
第二代的架構(gòu)做了集成，除了FCU把所有驅(qū)動(dòng)類的、大功率、高壓的部分集成了多合一的控制器，這個(gè)目前也是各家做電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品主流的做法。
最終發(fā)展趨勢(shì)是預(yù)的架構(gòu)，有點(diǎn)類似于車上面做預(yù)控制器這種，把所有的跟電相關(guān)的全部集成到一個(gè)控制器里面去。
分立產(chǎn)品X+1架構(gòu)，我把它稱為一個(gè)縱向集成，它是機(jī)電一體化的概念，把電控部件和運(yùn)動(dòng)部件作為一個(gè)縱向的集成，類似于目前比較主流的水泵控制器和泵體是集成在一起的。像氫氣循環(huán)泵控制器和泵雖然沒有放在一起，物理上沒有集成，但是實(shí)際上是成套的。但是FCU和DCF這部分只有電控沒有運(yùn)動(dòng)部件的，X+1架構(gòu)面臨的問題主要是分立的零部件數(shù)量非常多，整個(gè)構(gòu)成氫燃料電池系統(tǒng)的電器和機(jī)械接口就非常復(fù)雜。因?yàn)槊恳粋€(gè)控制器都要有一個(gè)獨(dú)立的殼體，整個(gè)空間利用率比較低，功率密度也比較小，是很難滿足市場(chǎng)需求。
所以就出現(xiàn)了第二代的多合一的1+1架構(gòu)，1+1架構(gòu)實(shí)際上是把出FCU之外的電控單元全部做一個(gè)橫向集成，叫電控一體化的產(chǎn)品，這樣做相當(dāng)多個(gè)控制器共用一個(gè)殼體，帶來了電器和機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，另外功率密度能夠大大的提升。
下面是域架構(gòu)，域架構(gòu)是把FCU也集成進(jìn)去，相當(dāng)于電控部件除了執(zhí)行的手腳，也把大腦集成進(jìn)去。這樣實(shí)際上是有一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，就是整個(gè)的控制器產(chǎn)品走向一個(gè)軟件定義系統(tǒng)的思路，而且更容易實(shí)現(xiàn)功能安全。
如果說產(chǎn)業(yè)能夠按之前預(yù)期迅速發(fā)展的話，會(huì)很快走到域控制器的架構(gòu)，但是我們目前面臨這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)，就是我們的量產(chǎn)需求出現(xiàn)了一個(gè)低谷，可能很多行業(yè)內(nèi)的大家都正在經(jīng)歷這么一個(gè)過程，但是最終它的目標(biāo)到2025年或者2050年車載氫燃料電池的應(yīng)用還是會(huì)發(fā)展起來的，只是我們現(xiàn)在面臨一個(gè)低谷。這個(gè)時(shí)候量產(chǎn)需求是往下走的，但是平臺(tái)開發(fā)類的項(xiàng)目是在持續(xù)推進(jìn)的。
在供應(yīng)鏈一側(cè)，半導(dǎo)體芯片包括第三代半導(dǎo)體碳化硅功率器件的供應(yīng)是獲得了改善，應(yīng)該從今年開始。
另外一方面就是國(guó)產(chǎn)化的方案開始越來越多，國(guó)家的供應(yīng)鏈?zhǔn)怯欣玫摹Ｔ诋a(chǎn)品這一側(cè)呢？因?yàn)槎嗪诵募軜?gòu)大概從去年開始逐漸落地，產(chǎn)品開始上車去跑，這樣的話在產(chǎn)品上應(yīng)用的一些問題開始反過來牽引設(shè)計(jì)，有一點(diǎn)類似于規(guī)模型的開發(fā)，現(xiàn)在開始反饋到了設(shè)計(jì)端。
所以我們對(duì)電驅(qū)動(dòng)控制產(chǎn)品大概的想法就是，第一個(gè)橫向集成會(huì)取代縱向集成，因?yàn)殡娍匾惑w化是有很大的優(yōu)勢(shì)的，尤其是在功率密度這一塊。
第二個(gè)X+1的架構(gòu)和1+1兩種架構(gòu)，短期內(nèi)會(huì)同時(shí)存在，不會(huì)很快把X+1架構(gòu)取代掉。另外域架構(gòu)需求可能不會(huì)那么快的推向市場(chǎng)。除了方向上的發(fā)展之外，我們目前看到電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品對(duì)成本可靠性、開發(fā)周期的要求是非常緊迫的。
基于上面的思考，瑞驅(qū)已經(jīng)開發(fā)完成的產(chǎn)品或者說大概的規(guī)劃是這樣的，首先第一塊是瑞驅(qū)的氫氣循環(huán)泵產(chǎn)品，我們現(xiàn)在實(shí)際上已經(jīng)開發(fā)完成了WTX-02、WTX-03、WTX-04三款產(chǎn)品，分別適用于不同功率等級(jí)的電堆，像WTX-02是我們第一款應(yīng)該也是國(guó)內(nèi)第一款200CC大盤量的氫氣循環(huán)泵產(chǎn)品，03是面向更大功率的電堆，04是降功率面向小堆的應(yīng)用。
這邊還有一個(gè)目前產(chǎn)業(yè)大概思路就是把氫氣循環(huán)泵和引射器做一個(gè)集成，把它作為一個(gè)氫系統(tǒng)的陽極模塊。
除了泵體瑞驅(qū)提供循環(huán)泵的控制器產(chǎn)品，我們面臨三個(gè)電壓平臺(tái)都可以提供適配的控制器。
在空壓機(jī)控制器這塊，瑞驅(qū)是目前規(guī)劃了四款系列化的產(chǎn)品，目前ACP35、ACP40、ACP50都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，ACP60是在必樣階段。ACP35是匹配大概20千瓦到35千瓦功率段，ACP40是比ACP35在EMC方面有了很大的提升，然后能夠?qū)崿F(xiàn)Class3的要求。ACP50是面向更大功率的電堆，ACP60是基本上能夠覆蓋掉180千瓦電堆系統(tǒng)，除了分立的電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品之外，瑞驅(qū)還在開發(fā)多合一的控制器，目前我們?cè)谧龅氖?10千瓦的多合一控制器，里面集成了DCF、ACP控制器、氫氣循環(huán)泵控制器，里面包含了ES功能和PDU單元。
下面是瑞驅(qū)在一些技術(shù)方面的研究和進(jìn)展，我們劃分為一些功能性的技術(shù)和一些多合一里面各個(gè)零部件單元模塊化的技術(shù)。首先是第三代大功率半導(dǎo)體碳化硅的應(yīng)用技術(shù)，瑞驅(qū)是面臨開發(fā)周期大大縮短的挑戰(zhàn)，然后我們采用的策略是用模塊化設(shè)計(jì)，把采用碳化硅多管并聯(lián)技術(shù)，還有金屬極板我們做出來半橋的功率模塊，像圖示的功率模塊我們能夠?qū)崿F(xiàn)75A的載流，在ACP控制器上能實(shí)現(xiàn)15kw的功率輸出，在DCF上是25kw。當(dāng)我需要大功率產(chǎn)品的時(shí)候，我就通過模塊的堆疊實(shí)現(xiàn)功率的擴(kuò)展。這個(gè)模塊我們給他實(shí)現(xiàn)了電流電壓有溫度的隔離采樣以及短路、過壓、過流保護(hù)功能。
在EMC技術(shù)，對(duì)于車載氫燃料電池EMC我們的理解更多是指EMI，因?yàn)槔锩嬗懈哳l的PWM開關(guān)和一些大功率的電流，所以更多的是干擾別人。我們通過DVDT的優(yōu)化，通過PWM策略的優(yōu)化，降低發(fā)射源，通過結(jié)構(gòu)上的分倉、屏蔽設(shè)計(jì)、以及空間布局上的優(yōu)化，來減少耦合，通過設(shè)計(jì)高衰減增益的濾波器抑制對(duì)外的電磁輻射，目前我們的產(chǎn)品是能夠滿足Class3的要求。
這塊是磁集成電感技術(shù)，這里面因?yàn)楝F(xiàn)在多合一背后的邏輯就是要節(jié)省空間，提高功率密度，怎么樣節(jié)省呢？這里面磁、電感、元件是電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品里面占體積非常大的一塊，我們通過分享耦合的磁集成電感設(shè)計(jì)，能夠把電感電流紋波降低22%的同時(shí)，把體積和重量降低34%，能夠?qū)崿F(xiàn)功率密度的大幅度提升。
在軟件開發(fā)這一塊，目前我們是引入了MBD自動(dòng)代碼生成的開發(fā)方式，通過需求管理、模塊化設(shè)計(jì)和快速仿真驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)代碼生成，除了MBD，我們目前正在研究的就是Autosar架構(gòu)，就是把汽車產(chǎn)業(yè)里面軟件開發(fā)的Autosar架構(gòu)理念引入到車載的氫燃料電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品軟件開發(fā)里面來，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的結(jié)耦，提高軟件的質(zhì)量。
另外就是我們?cè)谧鲫P(guān)于功能安全這一塊的一些研究，通過三層的監(jiān)控架構(gòu)以及支持Asil-D的多核MCU方案，然后再結(jié)合MBD和Autosar架構(gòu)完成功能安全的實(shí)現(xiàn)。
這一塊就是各個(gè)模塊一些關(guān)鍵的技術(shù)，這是在氫氣循環(huán)泵上面要面臨低溫冷啟動(dòng)的問題，瑞驅(qū)開發(fā)了自己獨(dú)有的破冰啟動(dòng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度零下35度的無外加熱源的冷啟動(dòng)。圖片上是搭載瑞驅(qū)WTX02氫氣循環(huán)泵上汽的燃料電池車型，在黑龍江黑河的冬季標(biāo)定，當(dāng)時(shí)是能夠完全實(shí)現(xiàn)無故障的啟動(dòng)。
這塊是空壓機(jī)的快速啟動(dòng)，剛才黃總講過，空壓機(jī)軸承那邊的氣息很小。空壓機(jī)有一個(gè)特點(diǎn)就是在低速段，要靠空氣軸承是很容易損傷的，所以要快速的渡過這個(gè)階段，瑞驅(qū)通過自己的技術(shù)研發(fā)，能夠保證在0.3秒內(nèi)把空壓機(jī)加速到起飛轉(zhuǎn)速，這個(gè)目前在業(yè)內(nèi)應(yīng)該是做得比較快的。
這一塊是DCF這一部分的交錯(cuò)并聯(lián)優(yōu)化技術(shù)，DCF目前電堆的功率等級(jí)在不斷的提升，像現(xiàn)在已經(jīng)有300千瓦的電堆出現(xiàn)，DCF的功率等級(jí)也隨之提升。目前一般都是用交錯(cuò)并聯(lián)的方案去做，但是用多少路去做交錯(cuò)并聯(lián)是一個(gè)很難去確定的問題，瑞驅(qū)是做了這么一個(gè)優(yōu)化技術(shù)，通過設(shè)定效率、紋波電流和功率器件特性這樣的一些限制條件，然后最終做一個(gè)多目標(biāo)的全局尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)這個(gè)體積和重量的最優(yōu)。
我們目前在剛才的210千瓦的多合一控制器用了十路的交錯(cuò)并聯(lián)，這塊是目前DCF一般都會(huì)具備電化學(xué)組抗譜的測(cè)量，它的功能是去識(shí)別電堆的水研或者磨干的一些狀態(tài)來做一些健康的診斷，目前瑞驅(qū)在這塊能夠做到的單頻和多頻的疊加，頻率范圍是從4赫茲到2K赫茲，THD的識(shí)別精度大概是3%。
下面就是對(duì)我們公司做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，瑞驅(qū)是2016年成立，公司地址是在昆山，我們目前的兩塊業(yè)務(wù)除了氫燃料電池BUP電控部件來做車載的熱管理，就是壓縮機(jī)控制器，壓縮機(jī)這一塊。
這是瑞驅(qū)的一個(gè)發(fā)展歷程，我們大概是2017年和上汽的前瞻技術(shù)部開始合作開發(fā)，大概是在2019年在國(guó)內(nèi)推出了首款大排量的氣循環(huán)泵產(chǎn)品，目前氣循環(huán)泵在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)占有率比較靠前，后面我們就開始開發(fā)空壓機(jī)的控制器包括多合一控制器。
這個(gè)是我們大概的公司產(chǎn)品圖譜，上面已經(jīng)介紹過了，就不多說了。我今天的匯報(bào)就到這里，謝謝大家。
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